Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffumsetzungssystems und ein Brennstof fumsetzungssystem zur Durchführung eines derartigen Verfahrens

Stand der Technik

Es ist bereits ein Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffumsetzungssystems, insbesondere eines Brennstoffzellensystems, vorgeschlagen worden, in welchem in einem Erfassungsschritt zumindest ein Fluidparameter eines zumindest wäh rend des Betriebs in dem Brennstoffumsetzungssystem befindlichen Prozessflu ids, mittels zumindest eines elektrodenbasierten Sensors erfasst wird.

Offenbarung der Erfindung

Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zum Betrieb eines Brennstoff Umset zungssystems, insbesondere eines Brennstoffzellensystems, wobei in einem Erfassungsschritt zumindest ein Fluidparameter eines zumindest während des Betriebs in dem Brennstoffumsetzungssystem befindlichen Prozessfluids, mittels zumindest eines elektrodenbasierten Sensors erfasst wird.

Es wird vorgeschlagen, dass der Erfassungsschritt bei zumindest zwei verschie denen aktiven Einstellungen eines Betriebsparameters des Sensors durchgeführt wird. Das Brennstoffumsetzungssystem handhabt insbesondere zumindest einen Brennstoff, ein sauerstoffhaltiges Fluid und/oder ein Abgas als Prozessfluid. Der Brennstoff umfasst vorzugsweise Wasserstoff, Kohlenstoffmonoxid und/oder zu mindest einen Kohlenwasserstoff, insbesondere Methan, Ethan, Butan, Propan, Erdgas oder dergleichen, als Energieträger. Der Brennstoff kann optional inerte Bestandteile, insbesondere Stickstoff und/oder Wasser umfassen. Als sauerstoff haltiges Fluid kann insbesondere reiner Sauerstoff oder ein Sauerstoffgemisch, insbesondere Luft, verwendet werden. Das Abgas ist insbesondere ein Umset zungsprodukt aus dem Brennstoff und dem sauerstoffhaltigen Fluid. Vorzugswei se umfasst das Brennstoffumsetzungssystem zumindest eine Umsetzungseinheit zu einem Umsetzen des Brennstoffs und des sauerstoffhaltigen Fluids zu dem Abgas. Die Umsetzungseinheit umfasst vorzugsweise zumindest eine Brenn stoffzelle zu einer Umsetzung des Brennstoffs, besonders bevorzugt zumindest eine Festoxidbrennstoffzelle (SOFC), alternativ oder zusätzlich zumindest eine alkalische Brennstoffzelle (AFC), eine Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle (PEMFC), eine Direktmethanol-Brennstoffzelle (DMFC), eine Phosphorsäure- Brennstoffzelle (PAFC), eine Schmelzkarbonat-Brennstoffzelle (MCFC) und/oder eine Brennstoffzelle eines anderen Typs. Alternativ ist die Umsetzungseinheit als Verbrennungsmotor, als Heizkessel, als Brenner oder als andere, einem Fach mann als sinnvoll erscheinende Einheit ausgebildet, welche einen Brennstoff unter Zuführung von Sauerstoff in ein Abgas umwandelt.

Der elektrodenbasierte Sensor umfasst insbesondere zumindest eine Elektrode, welche während des Erfassungsschritts in direktem Kontakt mit dem zu untersu chenden Prozessfluid, insbesondere dem Brennstoff oder dem Abgas, steht. Be vorzugt erfasst der Sensor im Rahmen des Verfahrens einen Fluidparameter des Abgases. Bevorzugt erfasst der Sensor und/oder ein weiterer Sensor des Brenn stoffumsetzungssystems im Rahmen des Verfahrens einen Fluidparameter des Brennstoffs. Der Fluidparameter beschreibt oder charakterisiert insbesondere eine chemische Zusammensetzung des untersuchten Prozessfluids. Der Fluidpa rameter ist beispielsweise als Verbrennungsluftverhältnis oder als, insbesondere relativer, Anteil eines Bestandsteils des Prozessfluids ausgebildet. Der Anteil kann insbesondere als Stoffmenge, als Volumen, als Masse, als zeitliche Ablei tung einer der genannten Größen oder dergleichen ausgebildet sein. Besonders bevorzugt wird der Fluidparameter des Abgases unmittelbar stromabwärts der Umsetzungseinheit erfasst. Unter „unmittelbar“ stromabwärts/stromaufwärts ei nes Referenzpunktes soll insbesondere an einer Stelle des Brennstoffumset zungssystems verstanden werden, welche mit dem Referenzpunkt eine strom abwärts/stromaufwärts gerichtete Verbindungsstrecke von/zu dem Referenzpunkt aufweist, entlang derer eine Zusammensetzung des Prozessfluids erhalten bleibt. Alternativ oder zusätzlich wird der Fluidparameter des Abgases in einer Rezirku- lationsleitung des Brennstoffumsetzungssystems erfasst. Alternativ oder zusätz- lieh wird der Fluidparameter des Abgases in einer Abgasleitung stromabwärts einer Abzweigung der Rezirkulationsleitung des Brennstoffumsetzungssystems erfasst. Besonders bevorzugt wird der Fluidparameter des Brennstoffs unmittel bar stromaufwärts der Umsetzungseinheit erfasst. Alternativ wird der Fluidpara meter des Brennstoffs stromaufwärts eines Reformers des Brennstoffumset zungssystems erfasst.

Der Betriebsparameter des Sensors wird vorzugsweise von einer Steuer- oder Regeleinheit des Sensors oder des Brennstoffumsetzungssystems eingestellt, optional geregelt. Der Betriebsparameter wird insbesondere vor oder während dem Erfassungsschritt eingestellt, um den Erfassungsschritt zu ermöglichen und/oder um den Sensor auf eine zum Zeitpunkt des Erfassungsschritts vorlie gende Betriebsbedingung, beispielsweise durch einen Arbeitspunkt der Umset zungseinheit vorgegebene Betriebsbedingung, anzupassen. Der Betriebspara meter ist beispielsweise als Temperatur des Sensors, als Druck eines Messbe reichs des Sensors, als eine an der Elektrode anliegende elektrische Spannung, als ein durch die Elektrode fließender Strom, als ein elektrischer Widerstand ei nes die Elektrode umfassenden Stromkreises oder dergleichen ausgebildet. Vor zugsweise sind die zumindest zwei Einstellungen des Betriebsparameters unter schiedlich von einem Wert des Betriebsparameters in einem ausgeschalteten Betriebszustand des Sensors. Alternativ stellt die Steuer- oder Regeleinheit bei zumindest einer der Einstellungen den Betriebsparameter auf einen Wert, der einem Wert des Betriebsparameters in einem ausgeschalteten Betriebszustand des Sensors entspricht, wobei der Sensor den Erfassungsschritt bei diesem Wert ausführt.

Die Steuer- oder Regeleinheit führt insbesondere separate, insbesondere zeitlich getrennte, Erfassungsschritte bei je einer der Einstellungen durch, wobei eine Änderung der Einstellung insbesondere zwischen den Erfassungsschritten durchgeführt wird. Optional umfasst das Verfahren einen Verzögerungsschritt, in welchem die Steuer- oder Regeleinheit nach einem Auslösen einer Änderung der Einstellung wartet, bis der Sensor einen der geänderten Einstellung entspre chenden Zustand erreicht. Alternativ führt die Steuer- oder Regeleinheit eine Än derung der Einstellung während des Erfassungsschritts durch, sodass insbeson dere ein zeitlicher Verlauf einer Auswirkung der Änderung der Einstellung erfasst werden kann. Vorzugsweise wertet eine Auswerteeinheit des Brennstoffumset zungssystems Sensorsignale von dem Sensor aus. Insbesondere ermittelt die Auswerteeinheit aus den Sensorsignalen den Fluidparameter. Insbesondere wer tet die Auswerteeinheit zumindest je ein Sensorsignal pro Einstellung des Be triebsparameters aus, um in Abhängigkeit von einem Unterschied der Sensorsig nale zumindest einen weiteren Fluidparameter zu bestimmen. Alternativ oder zusätzlich wertet die Auswerteeinheit einen sich über die zumindest zwei Einstel lungen erstreckenden Zeitverlauf des Sensorsignals aus, um in Abhängigkeit von Charakteristika des Zeitverlaufs zumindest einen weiteren Fluidparameter zu bestimmen. Unterschiede der Sensorsignale und Charakteristika des Zeitverlaufs betreffen beispielsweise einen Mittelwert, einen asymptotischen Grenzwert, eine Position und/oder Wert von Maxima und/oder Wendepunkten, eine Position eines Nulldurchgangs, ein Einschwingverhalten bei einer Änderung der Einstellung, insbesondere eine Einschwingfrequenz, eine Einschwingamplitude und/oder eine Einschwingdauer, eine zeitliche Verzögerung gegenüber einer Änderung der Ein stellung oder dergleichen.

Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Verfahrens können vorteilhaft viele Fluidparameter zumindest eines der Prozessfluide mit vorteilhaft wenigen Sensoren erfasst werden. Insbesondere können vorteilhaft von den Fluidparame tern abhängige Prozessparameter des Brennstoffumsetzungssystems vorteilhaft einfach ermittelt werden. Insbesondere kann das Verfahren vorteilhaft ohne Än derung von einem Arbeitspunkt oder Betriebsparametern der Umsetzungseinheit durchgeführt werden. Insbesondere kann das Verfahren vorteilhaft während ei nes regulären Betriebs der Umsetzungseinheit durchgeführt werden. Insbesonde re kann das Verfahren vorteilhaft genutzt werden, um das Brennstoffumset zungssystem in Abhängigkeit der ermittelten Fluidparameter zu regeln.

Weiter wird vorgeschlagen, dass in zumindest einem Verfahrensschritt als Be triebsparameter eine Temperatur des Sensors auf zumindest zwei unterschiedli che Werte eingestellt wird. Vorzugsweise umfasst der Sensor zumindest ein elektrisches Heizelement. Alternativ ist der Sensor an einem elektrischen Heiz element des Brennstoffumsetzungssystems angeordnet. Insbesondere steuert, optional regelt, die Steuer- oder Regeleinheit das elektrische Heizelement, um eine Temperatur des Sensors einzustellen. Alternativ oder zusätzlich zu dem Heizelement umfasst der Sensor und/oder das Brennstoffumsetzungssystem ein Peltierelement und/oder einen Wärmeübertrager zu einem Einstellen einer Tem peratur des Sensors. Vorzugsweise veranlasst die Steuer- oder Regeleinheit bei einer Inbetriebnahme des Sensors, dass eine Temperatur des Sensors auf eine, insbesondere von einer Umgebungstemperatur unterschiedliche, Betriebsnorm temperatur gebracht wird. Insbesondere ist die Betriebsnormtemperatur dazu vorgesehen, einen Elektrolyten des elektrodenbasierten Sensors in einen ionen durchlässigen Zustand zu versetzen. Unter „vorgesehen“ soll insbesondere spe ziell programmiert, ausgelegt und/oder ausgestattet verstanden werden. Darun ter, dass ein Objekt zu einer bestimmten Funktion vorgesehen ist, soll insbeson dere verstanden werden, dass das Objekt diese bestimmte Funktion in zumindest einem Anwendungs- und/oder Betriebszustand erfüllt und/oder ausführt. Vor zugsweise stellt die Steuer- oder Regeleinheit in zumindest einem Verfahrens schritt eine Temperatur des Sensors auf eine Temperaturvariation ein. Die Tem peratu rvariation kann höher oder kleiner sein als die Betriebsnormtemperatur. Vorzugsweise beträgt ein maximaler Unterschied zwischen der Betriebsnorm temperatur und der Temperaturvariation zumindest 1 K, bevorzugt mehr als 5 K, besonders bevorzugt mehr als 10 K. Insbesondere ermittelt die Auswerteeinheit den zumindest einen der Fluidparameter in Abhängigkeit von Unterschieden des Sensorsignals bei den Einstellungen des Sensors auf die Betriebsnormtempera tur und der Temperaturvariation. Alternativ stellt die Steuer- oder Regeleinheit zumindest eine weitere Temperaturvariation als Temperatur des Sensors ein, sodass zumindest einer der Fluidparameter in Abhängigkeit von Unterschieden zwischen beiden Einstellungen des Sensors auf die Temperaturvariation und auf die weitere Temperaturvariation ermittelt wird. Die Temperaturvariation und/oder die weitere Temperaturvariation sind/ist insbesondere dazu vorgesehen, eine Transportgeschwindigkeit, insbesondere eine Diffusionsgeschwindigkeit, des zu untersuchenden Prozessfluids in den Messbereich des Sensors hinein, aus dem Messbereich des Sensors heraus und/oder innerhalb des Sensors zu verändern. Insbesondere sind/ist die Temperaturvariation und/oder die weitere Temperatur variation dazu vorgesehen, eine Transportgeschwindigkeit, insbesondere eine Diffusionsgeschwindigkeit, der Bestandteile des zu untersuchenden Prozessflu ids bestandteilspezifisch zu verändern. Vorzugsweise vergleicht, insbesondere korreliert, die Auswerteeinheit die Sensorsignale mit einer Temperaturkennlinie, insbesondere einer Spannungskennlinie des elektrischen Heizelements, um zu- mindest einen der Fluidparameter zu ermitteln. Optional korrigiert die Auswer teeinheit einen Einfluss der Temperaturvariation und/oder der weiteren Tempera turvariation auf einen elektrischen Betriebsparameter des Sensors mittels einer elektrischen Widerstandsmessung an dem Sensor. Alternativ ermittelt die Aus werteeinheit die Temperatur des Sensors anhand der elektrischen Widerstands messung an dem Sensor. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung können Sensorsignale vorteilhaft temperaturabhängig ausgewertet werden. Insbesondere können Bestandteile des Prozessfluids anhand ihres temperaturabhängigen Ein flusses auf das Sensorsignal erkannt und insbesondere quantifiziert werden.

Ferner wird vorgeschlagen, dass in zumindest einem Verfahrensschritt, insbe sondere die bereits genannten, Sensorsignale des Sensors bei den zumindest zwei Einstellungen mit einer Referenz verglichen werden, um den Fluidparameter und/oder einen Prozessparameter des Brennstoffumsetzungssystems zu ermit teln. Die Referenz ist insbesondere in einem Datenspeicher der Auswerteeinheit und/oder einem externen Server zu einem Abruf abgelegt. Die Referenz umfasst vorzugsweise zumindest eine Kennlinie, welche einen Verlauf des Sensorsignals bei einer bekannten Zusammensetzung des untersuchten Prozessfluids und bei einer der Einstellungen darstellt. Die Kennlinie ist vorzugsweise als mittlerer Ver lauf oder Regressionskurve von im Vorfeld durchgeführten Messungen an dem Sensor ausgebildet. Alternativ ist die Kennlinie als Theoriekurve ausgebildet oder wird mittels einer Simulation des Brennstoffumsetzungssystems erstellt. Die Re ferenz umfasst insbesondere zumindest je eine Kennlinie pro Einstellung. Die Referenz umfasst insbesondere eine Vielzahl an Kennlinien pro Einstellung, ins besondere zumindest je eine für eine Vielzahl an unterschiedlichen Werten der Fluidparameter des untersuchten Prozessfluids. Vorzugsweise vergleicht die Er mittlungseinheit die Sensorsignale bei den Einstellungen des Betriebsparameters mit der Referenz mit den Kennlinien, um zumindest einen der Fluidparameter zu ermitteln. Vorzugsweise ermittelt die Auswerteeinheit in Abhängigkeit der ermit telten Fluidparameter eine Brennstoffnutzung, ein Sauerstoff- Kohlenstoff- Verhältnis, eine Rezirkulationsrate des Brennstoffumsetzungssystems oder der gleichen als Prozessparameter. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung können die Sensorsignale vorteilhaft einfach ausgewertet werden. Insbesondere kann eine benötigte Rechenleistung der Auswerteeinheit während des Betriebs des Brennstoffumsetzungssystems vorteilhaft gering gehalten werden. Insbeson- dere kann eine Steuerung oder Regelung in Abhängigkeit des Fluidparameters und/oder des Prozessparameters vorteilhaft schnell, insbesondere in Echtzeit, erfolgen.

Weiterhin wird vorgeschlagen, dass der Erfassungsschritt bei zumindest einer Einstellung des Betriebsparameters pro zu erfassenden Bestandteil des Prozess fluids durchgeführt wird. Die Einstellungen können schrittweise durchlaufen wer den oder kontinuierlich ineinander überführt werden, beispielsweise kann ein Zeitverlauf des Betriebsparameters des Sensors trapezförmig, treppenförmig, sinusförmig, dreieckförmig oder dergleichen implementiert werden. Es ist denk bar, dass unterschiedliche Kombinationen der Bestandteile des zu untersuchen den Prozessfluids bei einem konstanten Betriebsparameter jeweils das gleiche Sensorsignal ergeben. Die Auswerteeinheit ist insbesondere dazu vorgesehen, ein Gleichungssystem zu lösen, welches eine einstellungsabhängige Kombinati on der Bestandteile mit den Sensorsignalen in Beziehung setzt. Durch die erfin dungsgemäße Ausgestaltung können die Bestandteile des Prozessfluids vorteil haft zuverlässig, insbesondere eindeutig, ermittelt werden.

Darüber hinaus wird vorgeschlagen, dass bei zumindest einer der Einstellungen eine mit einem Bestandteil des Prozessfluids verknüpfte elektrische Größe ge messen wird, um den zumindest einen Bestandteil des Prozessfluids zu ermit teln. Insbesondere wird ein elektrischer Strom durch die Elektrode und/oder eine elektrische Spannung an der Elektrode des Sensors gemessen. Insbesondere tritt zumindest während des Erfassungsschritts ein lonenstrom durch die Elektro de auf, dessen Stärke abhängig von der Konzentration des Bestandteils in einem Messbereich des Sensors ist. Beispielsweise ist der Sensor als Breitbandlamb dasonde, als Sprunglambdasonde oder als Brennstoffzelle ausgebildet. Bei einer Ausbildung als Breitbandlambdasonde wird insbesondere ein, insbesondere ge regelter, Pumpstrom einer Pumpzelle der Breitbandlambdasonde gemessen, um den Bestandteil des Prozessfluids zu ermitteln. Bei einer Ausbildung als Sprunglambdasonde oder als Brennstoffzelle wird insbesondere eine an der Be triebsnormtemperatur anliegende elektrische Spannung gemessen, um den Be standteil des Prozessfluids zu ermitteln. Vorzugsweise wird ein, insbesondere oxidierbarer, Bestandteil des Abgases mittels der elektrischen Größe ermittelt, beispielsweise Kohlenstoffmonoxid (CO) und/oder Wasserstoff (H ₂ ). Insbesonde- re wird der Erfassungsschritt in dem Abgas bei zumindest zwei Einstellungen durchgeführt, insbesondere um einen Anteil des Kohlenstoffmonoxids und einen Anteil des Wasserstoffs in dem Abgas zu ermitteln. Vorzugsweise wird ein, ins besondere oxidierbarer, Bestandteil des Brennstoffs mittels der elektrischen Grö ße ermittelt, beispielsweise Kohlenstoffmonoxid, Wasserstoff und optional Me than (CH4). Insbesondere wird der Erfassungsschritt in dem Abgas bei zumindest zwei, vorzugsweise zumindest drei, Einstellungen durchgeführt, insbesondere um einen Anteil des Kohlenstoffmonoxids, einen Anteil des Wasserstoffs und einen Anteil des Methans in dem Brennstoff zu ermitteln. Vorzugsweise ermittelt die Auswerteeinheit durch einen Vergleich der Anteile der Bestandteile des Brenn stoffs und des Abgases eine Brennstoffnutzung der Umsetzungseinheit, insbe sondere eines Brennstoffzellenstacks der Umsetzungseinheit. Durch die erfin dungsgemäße Ausgestaltung können vorteilhaft oxidierbare Bestandteile des Prozessfluids quantitativ erfasst werden.

Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass bei zumindest einer der Einstellungen ein mit einem Bestandteil des Prozessfluids verknüpfter elektrischer Stromfluss auf einen Maximalwert eingestellt wird, um zumindest einen Bestandteil des Pro zessfluids zu ermitteln. Insbesondere wird bei einer Ausbildung des Sensors als Breitbandlambdasonde der Pumpstrom der Pumpzelle des Sensors auf einen Maximalwert eingestellt. Der Maximalwert des Pumpstroms ist insbesondere durch einen Diffusionsgrenzstrom durch die Elektrode und den Elektrolyten des Sensors gegeben. Insbesondere stellt die Steuer- oder Regeleinheit den Maxi malwert in Abhängigkeit von der Einstellung des Betriebsparameters ein. Insbe sondere gibt die Steuer- oder Regeleinheit eine elektrische Spannung an der Elektrode vor, bei welcher sich der Diffusionsgrenzstrom einstellt. Die für den Diffusionsgrenzstrom notwendige elektrische Spannung ist insbesondere in ei nem Speicher der Steuer- oder Regeleinheit hinterlegt und/oder wird während des Betriebs dynamisch ermittelt, siehe nachfolgenden Abschnitt. Insbesondere wird der Diffusionsgrenzstrom gemessen um den, insbesondere bereits oxidier ten, Bestandteil des Prozessfluids zu ermitteln, insbesondere Wasser (H ₂ O) und/oder Kohlenstoffdioxid (CO ₂ ). Insbesondere wird der Erfassungsschritt in dem Brennstoff bei zumindest zwei Einstellungen durchgeführt, insbesondere um einen Anteil des Wassers und einen Anteil des Kohlenstoffdioxids in dem Brenn stoff zu ermitteln. Vorzugsweise ermittelt die Auswerteeinheit in Abhängigkeit der, insbesondere bereits oxidierten, Bestandteile des Brennstoffs das Sauerstoff- Kohlenstoff-Verhältnis. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung können vor teilhaft vollständig oxidierte Bestandteile des Prozessfluids quantitativ erfasst werden.

Weiter wird vorgeschlagen, dass in zumindest einem Verfahrensschritt eine elekt rische Spannung, um den Maximalwert zu erreichen, iterativ ermittelt wird. Insbe sondere erhöht die Steuer- oder Regeleinheit die elektrische Spannung an der Pumpzelle schrittweise oder rampenförmig, bis sich der durch die elektrische Spannung verursachte Pumpstrom um weniger als einen Mindestwert erhöht.

Eine Schrittweite der elektrischen Spannung an der Pumpzelle ist vorzugsweise zumindest kleiner als 250 mV, vorzugsweise kleiner als 150 mV, bevorzugt klei ner als 75 mV. Der Mindestwert des Pumpstrom beträgt beispielsweise zumin dest 10 mA, bevorzugt mehr als 20 pA, besonders bevorzugt mehr als 40 pA. Vorzugsweise wird eine Erhöhung der elektrischen Spannung an der Pumpzelle erst eingestellt, wenn der Mindestwert des Pumpstroms mehrfach, beispielsweise zweimal, dreimal oder öfters, insbesondere in aufeinander folgenden Messungen, unterschritten wurde. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung kann der, ins besondere temperaturabhängige, Maximalwert vorteilhaft genau und insbesonde re zuverlässig ermittelt werden. Insbesondere kann auf eine vorab Vermessung des Maximalwerts in Abhängigkeit von dem Betriebsparameter und/oder zusätzli chen Betriebsparameter des Sensors oder des Brennstoffumsetzungssystems und insbesondere auf eine Speicherkapazität dafür verzichtet werden.

Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass in zumindest einem Verfahrensschritt zumindest ein Bestandteil des Prozessfluids mittels der Einstellungen überwacht wird, um einen Prozessparameter indirekt zu regeln. Beispielsweise wird in zu mindest einer Ausgestaltung des Verfahrens die Brennstoffnutzung indirekt gere gelt. Insbesondere wird bei einer indirekten Regelung der Anteil des Wasserstoffs in dem Abgas wie weiter oben beschrieben ermittelt. Vorzugsweise ist die Steu er- oder Regeleinheit dazu vorgesehen, den Anteil des Wasserstoffs in dem Ab gas auf einen vorgegebenen Wasserstoffsollwert zu regeln und/oder zumindest oberhalb eines Wasserstoffschwellwerts zu halten. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung kann das Brennstoffumsetzungssystem vorteilhaft einfach geregelt werden. Insbesondere kann das Brennstoffumsetzungssystem mit vorteilhaft we nigen Sensoren geregelt werden.

Ferner wird vorgeschlagen, dass in zumindest einem Verfahrensschritt, die ins besondere bereits genannten, Sensorsignale des Sensors bei zumindest einer der Einstellungen mittels eines maschinellen Lernprozesses ausgewertet werden. Vorzugsweise ist der maschinelle Lernprozess zu einer Korrektur der mit der Auswerteeinheit ermittelten Fluidparameter und/oder Prozessparameter vorge sehen. Der maschinelle Lernprozess wird insbesondere mittels Trainingsdaten trainiert, welche die Fluidparameter und/oder Prozessparameter umfassen, die mit der Auswerteeinheit und dem Sensor ermittelt wurden, sowie Fluidparameter und/oder Prozessparameter des Brennstoffumsetzungssystems, welche mit ei nem herstellerseitigen, insbesondere präziserem, Sensorsystem ermittelt wur den. Bevorzugt verarbeitet der maschinelle Lernprozess den Betriebsparameter des Sensors und weitere Betriebsparameter des Sensors, insbesondere den Pumpstrom, die elektrische Spannung an der Pumpzelle, die Temperatur des Sensors und/oder eine Nernstspannung des Sensors. Optional verarbeitet der maschinelle Lernprozess zusätzliche Betriebsparameter des Brennstoff Umset zungssystems, insbesondere eine Temperatur einer Komponente des Brennstof fumsetzungssystems und/oder eines der Prozessfluide, einen Druck eines der Prozessfluide, eine Volumenstrom eines der Prozessfluide oder dergleichen. Ins besondere ermittelt der maschinelle Lernprozess einen Sensorfehler des Sen sors. Beispielsweise verwendet der maschinelle Lernprozess ein neuronales Netzwerk, multivariante lineare Regression und/oder einen Gauß-Prozess, um den Sensorfehler zu ermitteln und insbesondere den mit der Auswerteeinheit ermittelten Fluidparameter und/oder Prozessparameter zu korrigieren. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung kann der Fluidparameter und/oder der Pro zessparameter vorteilhaft präzise ermittelt werden.

Darüber hinaus wird ein Brennstoffumsetzungssystem, insbesondere ein Brenn stoffzellensystem, mit zumindest einem, insbesondere dem bereits genannten, elektrodenbasierten Sensor und mit zumindest einer, insbesondere der bereits genannten, Steuer- oder Regeleinheit zu einer Durchführung eines erfindungs gemäßen Verfahrens vorgeschlagen. Das Brennstoffumsetzungssystem umfasst vorzugsweise die Umsetzungseinheit. Das Brennstoffumsetzungssystem umfasst insbesondere eine an der Umsetzungseinheit angeschlossene Brennstoffleitung, insbesondere zu einer Zuführung des Brennstoffs zu der Umsetzungseinheit. Vorzugsweise umfasst das Brennstoffumsetzungssystem zumindest eine an der Umsetzungseinheit angeschlossene Sauerstoffleitung, insbesondere zu einer Zuführung des sauerstoffhaltigen Fluids zu der Umsetzungseinheit. Vorzugswei se umfasst das Brennstoffumsetzungssystem zumindest eine an der Umset zungseinheit angeschlossene Abgasleitung, insbesondere zu einer Abfuhr des Abgases von der Umsetzungseinheit. Optional umfasst das Brennstoffumset zungssystem zumindest eine Rezirkulationsleitung, welche die Abgasleitung und die Brennstoffleitung miteinander fluidtechnisch verbindet, insbesondere zu einer Rückführung und Einspeisung eines Teils des Abgases in den Brennstoff. Optio nal umfasst das Brennstoffumsetzungssystem zumindest einen Fluidförderer, insbesondere einen Ventilator, einen Kompressor oder eine Pumpe, zu einer Förderung des Brennstoffs, des sauerstoffhaltigen Fluids oder des Abgases durch die entsprechende Leitung. Optional umfasst das Brennstoffumsetzungs- system einen stromabwärts der Umsetzungseinheit angeordneten Nachbrenner, insbesondere zu einer thermischen Verwertung der noch oxidierbaren Bestand teile, insbesondere Wasserstoff und/oder Kohlenstoffmonoxid, des Abgases. Op tional umfasst das Brennstoffumsetzungssystem den stromaufwärts der Umset zungseinheit angeordneten Reformer, insbesondere zu einer Umwandlung des Brennstoffs von einer, insbesondere komplexeren, Transportform zu einer, ins besondere leichter oxidierbaren, Umsetzungsform.

Es wäre auch denkbar, dass die Umsetzungseinheit alternativ als Verbren nungsmotor, als Heizkessel, als Brenner oder als andere, einem Fachmann als sinnvoll erscheinende Einheit, welche einen Brennstoff unter Zuführung von Sau erstoff in Abgas umwandelt, ausgebildet ist. Vorteilhaft weist das Brennstof fumsetzungssystem eine Peripheriegerätevorrichtung auf. Die Peripheriegeräte vorrichtung umfasst insbesondere sämtliche Elemente und Einheiten, welche zu einem Betrieb der Umsetzungseinheit erforderlich sind und/oder einen Betrieb der Umsetzungseinheit in zumindest dem Betriebszustand unterstützen. Bei spielsweise könnte die Peripheriegerätevorrichtung die Sauerstoff leitu ng, die Brennstoffleitung, den Reformer und/oder die Rezirkulationsleitung aufweisen. Zusätzlich kann die Peripheriegerätevorrichtung beispielsweise die Fluidför derelemente zur Förderung des Brennstoffs, des sauerstoffhaltigen Fluids und/oder des Abgases, weitere Reformereinheiten und/oder Wärmeübertrager oder dergleichen aufweisen.

Der elektrodenbasierte Sensor umfasst insbesondere die bereits genannte Elekt rode, zumindest eine weitere Elektrode und den Elektrolyten, welcher zwischen der Elektrode und der weiteren Elektrode angeordnet ist. Der Sensor ist vor zugsweise als Breitbandlambdasonde, als Sprunglambdasonde oder als Brenn stoffzelleneinheit mit zumindest einer Brennstoffzelle ausgebildet. In zumindest einer Ausgestaltung umfassen die Umsetzungseinheit und der Sensor zumindest je eine Brennstoffzelle des gleichen Typs, insbesondere gleicher Bauart. Der Sensor ist vorzugsweise in der Abgasleitung angeordnet, insbesondere strom aufwärts einer Abzweigung der Rezirkulationsleitung von der Abgasleitung. Alter nativ oder zusätzlich umfasst das Brennstoffumsetzungssystem zumindest einen weiteren Sensor, der in der Brennstoffleitung angeordnet ist, insbesondere stromabwärts des Reformers. Der weitere Sensor und der Sensor können bau gleich oder unterschiedlich ausgebildet sein. Vorzugsweise umfasst der Sensor das elektrische Heizelement, zu einem Einstellen der Temperatur des Sensors. Vorzugsweise umfasst der Sensor den, insbesondere den nur einen, Messbe reich. Alternativ umfasst der Sensor mehrere Messbereiche, insbesondere zu einer zeitgleichen Durchführung zweier Erfassungsschritte. Optional ist das elekt rische Heizelement oder mehrere Heizelemente des Sensors dazu vorgesehen, einen Temperaturgradienten und/oder Temperaturstufen entlang der Messberei che zu erzeugen, sodass jeder Messbereich eine andere Einstellung des Be triebsparameters aufweist.

Unter einer „Steuer- oder Regeleinheit“ soll insbesondere eine Einheit mit zumin dest einer Steuerelektronik verstanden werden. Unter einer „Steuerelektronik“ soll insbesondere eine Einheit mit einer Prozessoreinheit und mit einem Speicher sowie mit einem in dem Speicher gespeicherten Betriebsprogramm verstanden werden. Das Brennstoffumsetzungssystem umfasst insbesondere die Auswer teeinheit. Unter einer „Auswerteeinheit“ soll insbesondere eine Einheit mit einem Informationseingang, einer Informationsverarbeitung und einer Informationsaus gabe verstanden werden. Vorteilhaft weist die Auswerteeinheit zumindest einen Prozessor, einen Speicher, Ein- und Ausgabemittel, weitere elektrische Bauteile, ein Betriebsprogramm, Regelroutinen, Steuerroutinen und/oder Berechnungsrou- tinen auf. Optional sind die Bauteile der Auswerteeinheit und der Steuer- oder Regeleinheit auf einer gemeinsamen Platine angeordnet und/oder vorteilhaft in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet. Durch die erfindungsgemäße Ausge staltung kann insbesondere ein Brennstoffumsetzungssystem zur Verfügung ge stellt werden, das mit vorteilhaft wenigen und insbesondere kostengünstigen Sensoren betrieben werden kann.

Das erfindungsgemäße Verfahren und/oder das erfindungsgemäße Brennstof fumsetzungssystem sollen/soll hierbei nicht auf die oben beschriebene Anwen dung und Ausführungsform beschränkt sein. Insbesondere kann das erfindungs gemäße Verfahren und/oder das erfindungsgemäße Brennstoffumsetzungssys tem zu einer Erfüllung einer hierin beschriebenen Funktionsweise eine von einer hierin genannten Anzahl von einzelnen Elementen, Bauteilen und Einheiten so wie Verfahrensschritten abweichende Anzahl aufweisen. Zudem sollen bei den in dieser Offenbarung angegebenen Wertebereichen auch innerhalb der genannten Grenzen liegende Werte als offenbart und als beliebig einsetzbar gelten.

Zeichnungen

Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden Zeichnungsbeschreibung. In den Zeichnungen ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Die Zeichnungen, die Beschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merk male in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammen fassen.

Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Brennstoffumsetzungssystems,

Fig. 2 eine schematische Darstellung eines Sensors des erfindungs gemäßen Brennstoffumsetzungssystems und Fig. 3 ein schematisches Flussdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens. Beschreibung des Ausführungsbeispiels

Figur 1 zeigt ein Brennstoffumsetzungssystem 12. Das Brennstoffumsetzungs system 12 ist beispielhaft als Brennstoffzellensystem ausgebildet. Insbesondere umfasst das Brennstoffumsetzungssystem 12 zumindest eine Umsetzungseinheit 34, welche insbesondere zu einer Umsetzung eines Brennstoffs vorgesehen ist. Die Umsetzungseinheit 34 ist hier funktional als einzelne Brennstoffzelle darge stellt. Bevorzugt umfasst die Umsetzungseinheit 34 eine Vielzahl an Brennstoff zellen, welche insbesondere in einem oder mehreren Brennstoffzellenstacks gruppiert angeordnet sind. Insbesondere umfasst die Umsetzungseinheit 34 zu mindest eine Brennstoffelektrode 36, zumindest eine Sauerstoffelektrode 38 und zumindest einen Elektrolyten 40, der zwischen der Brennstoffelektrode 36 und der Sauerstoffelektrode 38 angeordnet ist. Das Brennstoffumsetzungssystem 12 umfasst insbesondere eine Brennstoffleitung 42, welche an der Umsetzungsein heit 34, insbesondere der Brennstoffelektrode 36, fluidtechnisch angeschlossen ist. Das Brennstoffumsetzungssystem 12 umfasst insbesondere eine Sauerstoff leitung 44, welche an der Umsetzungseinheit 34, insbesondere der Sauerstof felektrode 38, fluidtechnisch angeschlossen ist. Das Brennstoffumsetzungssys tem 12 umfasst insbesondere eine Abgasleitung 46, 48, welche an der Umset zungseinheit 34, insbesondere der Brennstoffelektrode 36 und/oder der Sauer stoffelektrode 38, fluidtechnisch angeschlossen ist. Optional umfasst das Brenn stoffumsetzungssystem 12 eine Rezirkulationsleitung 50, welche die Abgaslei tung 46 mit der Brennstoff leitu ng 42 rückkoppelt.

Das Brennstoffumsetzungssystem 12 umfasst insbesondere eine Brennstoffstel leinheit 52, welche insbesondere in der Brennstoffleitung 42 angeordnet ist. Die Brennstoffstelleinheit 52 ist insbesondere dazu vorgesehen, einen Strom des Brennstoffs durch die Brennstoffleitung 42 einzustellen. Die Brennstoffstelleinheit 52 umfasst vorzugsweise zumindest einen Fluidförderer, insbesondere einen Ventilator, einen Kompressor und/oder eine Pumpe, und/oder zumindest ein Stellventil. Das Brennstoffumsetzungssystem 12 umfasst insbesondere eine Re- zirkulationsstelleinheit 54, welche insbesondere in der Rezirkulationsleitung 50 angeordnet ist. Die Rezirkulationsstelleinheit 54 ist insbesondere dazu vorgese hen, einen Strom eines Anteils eines Abgases durch die Rezirkulationsleitung 50 einzustellen. Die Rezirkulationsstelleinheit 54 umfasst vorzugsweise zumindest einen Fluidförderer, insbesondere einen Ventilator, einen Kompressor und/oder eine Pumpe, und optional zumindest ein Stellventil. Optional umfasst das Brenn stoffumsetzungssystem 12 in analoger Weise eine Sauerstoffstelleinheit und/oder eine Abgasstelleinheit, welche insbesondere in der Sauerstoffleitung 44 bezie hungsweise in der Abgasleitung 46, 48 angeordnet ist (hier nicht dargestellt). Optional umfasst das Brennstoffumsetzungssystem 12 einen Reformer 56, der in der Brennstoffleitung 42 angeordnet ist. Optional umfasst das Brennstoffumset zungssystem 12 einen Nachbrenner 58, der in der Abgasleitung 46, 48 angeord net ist. Optional umfasst das Brennstoffumsetzungssystem 12 ein internes Wär meübertragungssystem. Das Wärmeübertragungssystem umfasst insbesondere zumindest einen Wärmeübertrager, welche insbesondere Wärme von dem Abgas in der Abgasleitung 46, 48, insbesondere stromabwärts des Nachbrenners 58, auf das sauerstoffhaltige Fluid in der Sauerstoffleitung 44 und/oder den Brenn stoff in der Brennstoffleitung 42, insbesondere stromaufwärts des Reformers 56, überträgt (hier nicht dargestellt).

Das Brennstoffumsetzungssystem 12 umfasst zumindest einem elektrodenba sierten Sensor 18. Der Sensor 18 ist vorzugsweise in der Abgasleitung 46 ange ordnet. Besonders bevorzugt ist der Sensor 18 unmittelbar stromabwärts der Umsetzungseinheit 34, insbesondere der Brennstoffelektrode 36 angeordnet. Insbesondere ist der Sensor 18 stromaufwärts einer Abzweigung der Rezirkulati- onsleitung 50 und/oder des Nachbrenners 58 angeordnet. Alternativ ist der Sen sor 18 stromabwärts einer Abzweigung der Rezirkulationsleitung 50 und strom aufwärts des Nachbrenners 58 und/oder in der Rezirkulationsleitung 50 angeord net. Der Sensor 18 ist insbesondere dazu vorgesehen, ein von einem Fluidpara meter des Abgases abhängiges Sensorsignal 21 zu erzeugen. Das Brennstof fumsetzungssystem 12 umfasst vorzugsweise zumindest einen weiteren elektro denbasierten Sensor 20. Der weitere Sensor 20 ist vorzugsweise in der Brenn stoffleitung 42 angeordnet. Besonders bevorzugt ist der weitere Sensor 20 unmit telbar stromaufwärts der Umsetzungseinheit 34, insbesondere der Brennstof felektrode 36, angeordnet. Insbesondere ist der weitere Sensor 20 stromabwärts einer Einspeisestelle der Rezirkulationsleitung 50 in die Brennstoffleitung 42 und/oder des Reformers 56 angeordnet. Der weitere Sensor 20 ist insbesondere dazu vorgesehen, ein von einem Fluidparameter des Brennstoffs abhängiges weiteres Sensorsignal 23 zu erzeugen. Das Brennstoffumsetzungssystem 12 umfasst insbesondere eine Auswerteeinheit 60. Die Auswerteeinheit 60 ist insbe sondere dazu vorgesehen, das Sensorsignal 21 von dem Sensor 18 und/oder das weitere Sensorsignal 23 von dem weiteren Sensor 20 auszuwerten. Insbe sondere ist die Auswerteeinheit 60 dazu vorgesehen, den Fluidparameter des Abgases und/oder des Brennstoffs in Abhängigkeit von zumindest einem der Sensorsignale 21, 23 zu ermitteln. Optional ist die Auswerteeinheit 60 dazu vor gesehen, zumindest einen von dem Fluidparameter und/oder dem weiteren Flu idparameter abhängigen Prozessparameter des Brennstoffumsetzungssystems 12, beispielsweise eine Brennstoffnutzung, eine Rezirkulationsrate oder derglei chen, zu ermitteln.

Das Brennstoffumsetzungssystem 12 umfasst zumindest eine Steuer- oder Re geleinheit 32. Die Steuer- oder Regeleinheit 32 ist zu einer Durchführung eines Verfahrens 10 vorgesehen, welches insbesondere in Figur 3 näher erläutert wird. Die Steuer- oder Regeleinheit 32 ist insbesondere dazu vorgesehen, einen oder mehrere der Fluidparameter und/oder den zumindest einen Prozessparameter auf einen Sollwert 62 einzustellen oder zu regeln. Vorzugsweise ist die Auswer teeinheit 60 dazu vorgesehen, einen oder mehrere der Fluidparameter und/oder den Prozessparameter als Istwert 64 an die Steuer- oder Regeleinheit 32 zu übermitteln. Die Steuer- oder Regeleinheit 32 ist beispielsweise dazu eingerich tet, die Brennstoffstelleinheit 52 und/oder die Rezirkulationsstelleinheit 54 und/oder den Strom der Umsetzungseinheit 34 und/oder die Spannung der Um setzungseinheit 34 anzusteuern, um einen oder mehrere der Fluidparameter und/oder den Prozessparameter einzustellen oder, insbesondere mittels des Sensors 18 und/oder des weiteren Sensors 20, zu regeln.

Figur 2 zeigt einen schematischen Aufbau des Sensors 18 und/oder des weiteren Sensors 20 als Breitbandlambdasonde. Insbesondere umfasst der Sensor 18 und/oder der weitere Sensor 20 zumindest eine Pumpzelle 66. Die Pumpzelle 66 umfasst zumindest eine Pumpelektrode 70, eine weitere Pumpelektrode 72 und einen Pumpelektrolyten 74, welcher zwischen den Pumpelektroden 70 ,72 ange ordnet ist. Insbesondere umfasst der Sensor 18 und/oder der weitere Sensor 20 zumindest eine Nernstzelle 68. Die Nernstzelle 68 umfasst zumindest eine Nernstelektrode 76, eine weitere Nernstelektrode 78 und einen Nernstelektroly ten 80, welcher zwischen den Nernstelektroden 76 ,78 angeordnet ist. Der Pum- pelektrolyt 74 und der Nernstelektrolyt 80 sind optional einteilig ausgebildet. Die Pumpzelle 66 und die Nernstzelle 68 begrenzen einen Messbereich 69 des Sen sors 18 und/oder des weiteren Sensors 20. Der Messbereich 69 ist vorzugsweise fluidtechnisch mit der Abgasleitung 46 oder der Brennstoff leitu ng 42 verbunden. Der Sensor 18 und/oder der weitere Sensor 20 umfasst vorzugsweise eine fluid durchlässige Diffusionsbarriere 82, welche den Messbereich 69 begrenzt. Die Diffusionsbarriere 82 ist insbesondere zwischen dem Messbereich 69 und der Abgasleitung 46 oder der Brennstoffleitung 42 angeordnet. Die Diffusionsbarriere 82 ist insbesondere dazu vorgesehen, eine Einströmgeschwindigkeit und/oder eine Ausströmgeschwindigkeit von Bestandteilen 24 des Abgases oder des Brennstoffs in den/aus dem Messbereich 69 festzulegen. Beispielhaft sind hier Wasser H2O, Wasserstoff H2, Kohlenwasserstoffe HC und Kohlenstoffmonoxid CO als Bestandteile 24 des Abgases oder des Brennstoffs dargestellt. Vorzugs weise ist die weitere Pumpelektrode 72 in dem Messbereich 69 angeordnet. Vor zugsweise ist die Pumpelektrode 70 in der Abgasleitung 46 oder der Brennstoff leitung 42 angeordnet. Optional umfasst die Pumpzelle 66 eine fluiddurchlässige Schutzschicht 84, welche die Pumpelektrode 70 bedeckt. Vorzugsweise ist die Nernstelektrode 76 in dem Messbereich 69 angeordnet. Vorzugsweise ist die weitere Nernstelektrode 78 in einem Referenzbereich 86 angeordnet. Der Refe renzbereich 86 ist zumindest während eines Betriebs des Sensors 18 und/oder des weiteren Sensors 20 mit einer Sauerstoffreferenz gefüllt. Die Sauerstoffrefe renz kann als Luft oder Industriegas, insbesondere mit einem definierten Anteil an Sauerstoff O2, ausgebildet sein.

Der Sensor 18 und/oder der weitere Sensor 20 weist als Betriebsparameter ins besondere eine Temperatur auf. Der Sensor 18 und/oder der weitere Sensor 20 umfasst insbesondere ein elektrisches Heizelement 88, um die Temperatur des Sensors 18 und/oder des weiteren Sensors 20 einzustellen, optional zu regeln. Der Sensor 18 und/oder der weitere Sensor 20 weisen als Betriebsparameter beispielsweise zumindest eine elektrische Größe 26, 28 auf. Die elektrische Grö ße 26, 28 ist beispielsweise als Nernstspannung U _N zwischen den Nernstelektro den 76, 78 der Nernstzelle 68, als Pumpstrom IP oder eine Pumpspannung zwi schen den Pumpelektroden 70, 72 der Pumpzelle 66 ausgebildet. Die Nernst spannung U _N wird vorzugsweise gemessen. Die Pumpspannung wird vorzugs weise von einer Sensorsteuer- oder Regeleinheit des Sensors 18 oder des weite- ren Sensors 20 eingestellt oder geregelt, besonders bevorzugt in Abhängigkeit von der Nernstspannung U _N, insbesondere sodass in dem Messbereich 69 ein Verbrennungsluftverhältnis von 1 vorliegt. Der Pumpstrom IP wird vorzugsweise gemessen und insbesondere als Sensorsignal 21 oder weiteres Sensorsignal 23 ausgegeben, insbesondere von der Sensorsteuer- oder Regeleinheit des Sen sors 18 oder des weiteren Sensors 20.

Figur 3 zeigt ein Flussdiagramm des Verfahrens 10 zum Betrieb des Brennstof fumsetzungssystems 12. Das Verfahren 10 umfasst insbesondere eine Betriebs parameteränderung 90, in welcher der Betriebsparameter des Sensors 18 und/oder des weiteren Sensors 20 eingestellt wird. Optional wird in der Betriebs parameteränderung 90 zusätzlich ein Betriebspunktwechsel des Brennstof fumsetzungssystems 12 durchgeführt. Alternativ wird das Verfahren bei einem stationären Betriebspunkt des Brennstoffumsetzungssystems 12 durchgeführt. Das Verfahren 10 umfasst einen Erfassungsschritt 14. Das Verfahren 10 umfasst vorzugsweise einen Auswerteschritt 92. Optional umfasst das Verfahren 10 einen Korrekturschritt 94. Vorzugsweise umfasst das Verfahren 10 einen Steuer- oder Regelschritt 96.

In dem Erfassungsschritt 14 wird zumindest einer der Fluidparameter eines zu mindest während des Betriebs in dem Brennstoffumsetzungssystem 12 befindli chen Prozessfluids 16, mittels zumindest eines der elektrodenbasierten Sensoren 18, 20 erfasst. Der Erfassungsschritt 14 wird bei zumindest zwei verschiedenen aktiven Einstellungen des Betriebsparameters des Sensors 18 und/oder des wei teren Sensors 20 durchgeführt. Das Prozessfluid 16 ist insbesondere der Brenn stoff oder das Abgas. Die Einstellung des Betriebsparameters führt die Steuer oder Regeleinheit 32 insbesondere in der Betriebsparameteränderung 90 aus. In einem Durchlauf der Betriebsparameteränderung 90 stellt die Steuer- oder Re geleinheit 32 als Betriebsparameter die Temperatur des Sensors 18 und/oder des weiteren Sensors 20 auf einen Wert ein. In dem Erfassungsschritt 14 erfasst der Sensor 18 und/oder der weitere Sensor 20 den Fluidparameter bei der Ein stellung der Temperatur. Bei einem weiteren Durchlauf der Betriebsparame teränderung 90 stellt die Steuer- oder Regeleinheit 32 als Betriebsparameter die Temperatur des Sensors 18 und/oder des weiteren Sensors 20 auf einen weite ren Wert ein, der unterschiedlich ist von dem Wert des Durchlaufs der Betriebs- Parameteränderung 90. Bei einer Ausgestaltung des Sensors 18 und/oder des weiteren Sensors 20 mit mehreren voneinander unabhängigen Messbereichen 69 oder mit mehreren Sensoren 18 und/oder mehreren weiteren Sensoren 20 kann der Durchlauf und der weitere Durchlauf der Betriebsparameteränderung 90 und zugehörige Erfassungsschritte 14 parallel, d.h. insbesondere zeitlich über lappend, ausgeführt werden. Insbesondere bei einer Ausgestaltung des Sensors 18 und/oder des weiteren Sensors 20 mit einem einzelnen Messbereich 69 erfol gen der Durchlauf und der weitere Durchlauf der Betriebsparameteränderung 90 und der dazugehörige Erfassungsschritt 14 sequentiell.

Bei unterschiedlichen Einstellungen der Temperatur des Sensors 18 und/oder des weiteren Sensors 20 nimmt insbesondere eine Diffusionsgeschwindigkeit der Bestandteile 24 des untersuchten Prozessfluids 16 durch die Diffusionsbarriere 82 und/oder durch die Schutzschicht 84 unterschiedliche Werte an. Ein Diffusi onskoeffizient der Bestandteile 24 hängt neben der Temperatur insbesondere von der molaren Masse der Bestandteile 24 und insbesondere von einem Teil chendurchmesser der Bestandteil 24 ab. Der Teilchendurchmesser der Bestand teile 24 des, insbesondere reformierten, Brennstoffs und/oder des Abgases vari iert insbesondere zwischen 2,3 pm für Wasserstoff h und 3,8 pm für Methan CH ₄ und Kohlenstoffmonoxid CO. Die molare Masse der Bestandteile 24 variiert insbesondere zwischen 2 (g/mol) ³ für Wasserstoff H ₂ und 44 (g/mol) ³ für Kohlen stoffdioxid. Durch die unterschiedlichen Diffusionsgeschwindigkeiten der Be standteile 24 des untersuchten Prozessfluids 16 stellt sich in dem Messbereich 69 insbesondere eine temperaturabhängige Konzentration ein. Durch die unter schiedlichen Diffusionsgeschwindigkeiten der Bestandteile 24 des untersuchten Prozessfluids 16 stellt sich in der Pumpzelle 66 insbesondere die temperaturab hängige Nernstspannung UN, die Pumpspannung und/oder der Pumpstrom IP temperaturabhängig ein. Durch die unterschiedlichen Diffusionsgeschwindigkei ten der Bestandteile 24 gibt der Sensor 18 und/oder der weitere Sensor 20 die temperaturabhängigen Sensorsignale 21, 23 aus.

In dem Auswerteschritt 92 bringt die Auswerteeinheit 60 die temperaturabhängi gen Sensorsignale 21, 23 insbesondere in Zusammenhang mit den molaren Massen der Bestandteile 24, um als Fluidparameter einen jeweiligen Anteil der Bestandteile 24 in dem Prozessfluid 16 zu ermitteln. Der Erfassungsschritt 14 und insbesondere die Betriebsparameteränderung 90 werden bei zumindest ei ner Einstellung des Betriebsparameters pro zu erfassenden Bestandteil 24 des Prozessfluids 16 durchgeführt. In dem Auswerteschritt 92 werden die Sensorsig nale 21, 23 des Sensors 18 und/oder des weiteren Sensors 20 bei den zumindest zwei Einstellungen mit einer Referenz 22 verglichen, um den Fluidparameter und/oder den zumindest einen Prozessparameter des Brennstoffumsetzungssys tems 12 zu ermitteln. Die Referenz 22 umfasst insbesondere Kennlinien, welche die temperaturabhängigen Sensorsignale 21, 23 in Abhängigkeit von Anteilen der Bestandteile 24 in dem Prozessfluid 16 angeben. Insbesondere ermittelt die Auswerteeinheit 60 die Anteile der Bestandteile 24 in Abhängigkeit von den tem peraturabhängigen Sensorsignalen 21, 23. Optional verarbeitet die Auswerteein heit 60 die ermittelten Anteile der Bestandteile 24 zu dem Prozessparameter.

Optional werden die Sensorsignale 21, 23 des Sensors 18 und/oder des weiteren Sensors 20 bei zumindest einer der Einstellungen mittels eines maschinellen Lernprozesses 30 ausgewertet. Insbesondere erlernt der maschinelle Lernpro zess 30 in einer Lernphase des maschinellen Lernprozesses 30 eine Abwei chung der von der Auswerteeinheit 60 ermittelten Fluidparameter und/oder des zumindest einen Prozessparameters von einem anderweitig ermittelten Wert des ermittelten Fluidparameters und/oder des zumindest einen Prozessparameters. Beispielsweise werden die Fluidparameter und/oder der zumindest einen Pro zessparameter während der Lernphase mittels genauerer Sensoren und/oder Diagnoseverfahren ermittelt, die einem Hersteller des Brennstoffumsetzungssys tems 12 zur Verfügung stehen. Insbesondere korrigiert der maschinelle Lernpro zess 30 in dem optionalen Korrekturschritt 94 die von der Auswerteeinheit 60 ermittelten Fluidparameter und/oder den zumindest einen Prozessparameter, insbesondere um die erlernte Abweichung zu kompensieren.

In dem Steuer- oder Regelschritt 96 übermittelt die Auswerteeinheit 60 die Flu idparameter und/oder den zumindest einen Prozessparameter, insbesondere in korrigierter Form, an die Steuer- oder Regeleinheit 32. Besonders bevorzugt steuert oder regelt die Steuer- oder Regeleinheit 32 das Brennstoffumsetzungs system 12 in Abhängigkeit von dem zumindest einen Prozessparameter. Insbe sondere hält die Steuer- oder Regeleinheit 32 die Brennstoffnutzung der Umset- zungseinheit 34 auf dem Sollwert 62 und/oder zumindest unterhalb eines Schwellwerts, welche/r insbesondere kleiner 1 sind/ist.

In zumindest einer, insbesondere vorteilhaft einfachen, Ausgestaltung des Brennstoffumsetzungssystems 12 und/oder des Verfahrens 10, in welcher beispielsweise nur der Fluidparameter des Abgases von dem Sensor 18 erfasst wird, steuert oder regelt die Steuer- oder Regeleinheit 32 das Brennstoffumsetzungssystem 12 in Abhängigkeit von dem Fluidparameter. Insbesondere hält die Steuer- oder Regeleinheit 32 zumindest einen Anteil des Wasserstoffs Fh in dem Abgas auf einem Wasserstoffsollwert und/oder oberhalb eines Wasserstoffschwellwerts. Der Anteil des Wasserstoffs F des Prozessfluids 16 wird mittels der Einstellungen der Temperatur überwacht, um den Prozessparameter des Brennstoffumsetzungssystems 12 indirekt zu regeln, insbesondere ohne den Prozessparameter zu ermitteln.

Beispielsweise wird der Sensor 18 dazu verwendet, die noch oxidierbaren Bestandteile 24 des als Abgas ausgebildeten Prozessfluids 16 zu ermitteln. Das Abgas umfasst insbesondere Kohlenstoffmonoxid CO und/oder Wasserstoff F als oxidierbare Bestandteile 24. Der Erfassungsschritt 14 wird bei zumindest zwei Einstellungen der Temperatur des Sensors 18 ausgeführt. Optional berücksichtigt die Auswerteeinheit 60 zusätzlich eine Restmenge eines Kohlenwasserstoffs FHC, insbesondere Methan CFI4, als möglichen Bestandteil 24 des Abgases. In diesem Fall wird der Erfassungsschritt 14 bei zumindest drei Einstellungen der Temperatur des Sensors 18 ausgeführt. Bei den Einstellungen der Temperatur des Sensors 18 wird die mit den Bestandteilen 24 des Prozessfluids 16 verknüpfte elektrische Größe 26, insbesondere eine Stärke des Pumpstroms l _p , gemessen, um die oxidierbaren Bestandteile 24 des Prozessfluids 16 zu ermitteln. Vorzugsweise wird die Pumpelektrode 70 durch die Sensorsteuer- oder Regeleinheit auf einen relativ zu der weiteren Pumpelektrode 72 negative Pumpspannung in Abhängigkeit von der Nernstspannung UN eingestellt.

Vorzugsweise wird der weitere Sensor 20 in analoger Weise verwendet, um die oxidierbaren Bestandteile 24 des als Brennstoff ausgebildeten Prozessfluids 16 zu ermittelt. Der, insbesondere reformierte, Brennstoff umfasst insbesondere Kohlenstoffmonoxid CO, Wasserstoff Ph und/oder Methan CFUals oxidierbare Bestandteile 24. Der Erfassungsschritt 14 wird vorzugsweise bei zumindest drei Einstellungen der Temperatur des weiteren Sensors 20 ausgeführt. Die Auswer teeinheit 60 ermittelt vorzugsweise den Prozessparameter, insbesondere die Brennstoffnutzung, durch einen Vergleich der oxidierbaren Bestandteile 24 in dem Brennstoff mit den noch oxidierbaren Bestandteilen 24 des Abgases.

Beispielsweise wird der weitere Sensor 20 dazu verwendet, die bereits vollstän dig oxidiert vorliegenden Bestandteile 24 des als Brennstoff ausgebildeten Pro zessfluids 16 zu ermitteln. Der Brennstoff umfasst als vollständig oxidiert vorlie gende Bestandteile 24 insbesondere Wasser H2O und/oder Kohlenstoffdioxid CO2. Der Erfassungsschritt 14 wird vorzugsweise bei zumindest zwei Einstellun gen der Temperatur des weiteren Sensors 20 ausgeführt.

Bei den Einstellungen der Temperatur des weiteren Sensors 20 wird ein mit ei nem Bestandteil 24 des Prozessfluids 16 verknüpfter elektrischer Stromfluss, insbesondere der Pumpstrom IP, auf einen Maximalwert eingestellt, um die be reits vollständig oxidierten Bestandteile 24 des Prozessfluids 16 zu ermitteln. Vorzugsweise wird die Pumpelektrode 70 von der Sensorsteuer- oder Regelein heit auf eine relativ zu der weiteren Pumpelektrode 72 positive Pumpspannung eingestellt, insbesondere unabhängig von der Nernstspannung UN. Insbesondere werden die bereits vollständig oxidierten Bestandteile 24 an der weiteren Pumpe lektrode 72 reduziert. Die Pumpspannung wird insbesondere auf einen Wert ein gestellt, bei welchem der Maximalwert des Pumpstroms IP auftritt, welcher insbe sondere durch einen Diffusionsgrenzstrom von sauerstoffhaltigen Bestandteile 24 des untersuchten Prozessfluids 16 durch die Diffusionsbarriere 82 gegeben ist. Die Auswerteeinheit 60 ermittelt insbesondere in Abhängigkeit von dem sich ein stellenden Maximalwert des Pumpstroms Ipeine Konzentration der bereits voll ständig oxidierten Bestandteile 24 in dem Brennstoff. Vorzugsweise wird die Pumpspannung, um den Maximalwert zu erreichen, iterativ ermittelt. Insbesonde re erhöht die Sensorsteuer- oder Regeleinheit die Pumpspannung in vorgegebe ne Schritte, bis ein Wert des Pumpstroms IP sich um weniger als einen Mindest wert ändert. Alternativ oder zusätzlich als Vorsteuerwert stellt die Sensorsteuer oder Regeleinheit die Pumpspannung auf in einem Speicher der Sensorsteuer oder Regeleinheit hinterlegte, insbesondere temperaturabhängige, Spannungs werte ein, mit welchen der Maximalwert erreicht wird. Insbesondere ermittelt die Auswerteeinheit 60 durch eine Zusammenschau der oxidierbaren Bestandteile 24 des Brennstoffs und der bereits vollständig oxidierten Bestandteile 24 des Brenn stoffs ein Sauerstoff-Kohlenstoffverhältnis des Brennstoffumsetzungssystems 12.